تعریف سبکها
استلاراتور
وندلاستاین ۷-اکس
۱۷ دسامبر ۲۰۱۵
اکنون، آلمانیها پس از ۱۹ سال طولانی، نصب این واقعیت فنی پیچیده به نام استلاراتور را به پایان رساندهاند. در اوایل دسامبر، این دستگاه اولین پلاسما را تولید کرد، دههها قبل از دستگاه ITER. البته افرادی که وبسایتم را بازدید میکنند، به من سوالات فراوانی درباره این دستگاه مطرح کردهاند.
برای اینکه این پروژه به واقعیت بپیوندد، ۱۹ سال و یک میلیون ساعت کار لازم بود. این دستگاه شامل ۲۰ سیمپیچ صاف و ۵۰ سیمپیچ غیر صاف است. چرا این تمایز وجود دارد؟ وقتی میخواهیم میدان مغناطیسی در این سیمپیچها ایجاد کنیم، باید جریان بسیار قوی در آنها جریان یابد که میتواند به ۱۲ هزار آمپر برسد. اما وقتی جریان شدیدی در سیمپیچها عبور میکند، تحت نیروهای گریز از مرکز قرار میگیرد که به سیمپیچ شکل دایرهای میدهد. در این شرایط، این نیروها میتوانند باعث شکست سیمپیچ شوند. چون شکل استلاراتور آلمانی بسیار پیچیده است،
لازم بود سیمپیچهایی با شکل غیر دایرهای و پیچیده طراحی شوند:
چرا این شکل پیچیده؟ اگر پنج ویدئویی که در یوتیوب قرار دادهام را ببینید، اصول اصلی تکنولوژی توکاماک در آنها ارائه شده است. این ایده از یک ایده سرد نشأت گرفته است که به آندروی ساخاروف و آرتسیموویچ نسبت داده میشود. اگر یک اتاق توریشکل را با سیمپیچهای دایرهای و به صورت منظم تجهیز کنیم، میدان مغناطیسی در نزدیکی محور دستگاه، جایی که سیمپیچها به هم نزدیکترند، قویتر خواهد بود. پلاسما به طور طبیعی به مناطقی که میدان مغناطیسی کمتر است، حرکت میکند. بنابراین، میدان مغناطیسی به سمت بیرون از اتاق پلاسما را فشار میدهد. توکاماک اولین راهحل است. با استفاده از یک سولنود که در امتداد محور دستگاه قرار دارد و میدانی که به آرامی افزایش مییابد (که در دستگاه ITER به ۱۳ تسلا خواهد رسید) که اتاق آزمایش را احاطه میکند، جریان القایی ایجاد میشود که به صورت دایرهای در پلاسما جریان مییابد. این جریان خودش میدانی ایجاد میکند که به آن میدان پولوئیدال گفته میشود و با میدان ایجاد شده توسط سیمپیچهای اطراف اتاق ترکیب میشود. در نهایت، خطوط میدان شکلی مارپیچی میگیرند.
چون ذرات باردار تمایل دارند خودشان حول خطوط میدان مغناطیسی مارپیچی حرکت کنند، این خطوط را دنبال میکنند. این امر به حفظ پلاسما در مرکز اتاق کمک میکند. راهحل دیگری که در دهه ۱۹۵۰ توسط آمریکایی لیمن اسپیتزر پیشنهاد شد، استلاراتور است. دستگاه وندلاستاین ۷-اکس یک استلاراتور است:
در رنگ زرد، اتاق دستگاه و در رنگ آبی، تعداد زیادی سیمپیچ. در طراحی استلاراتور آلمانی، محاسبات فراوانی روی رایانه انجام شد تا شکل اتاق و طراحی سیمپیچها بهینه شوند. این کار نیازمند کار بسیار زیاد و یک میلیون ساعت کار بود.
چرا انتخاب استلاراتور به جای توکاماک؟ در توکاماک (و ITER) مشکل اصلی امکان وقوع اختلالات (disruptions) است. در داخل اتاق، جریان پلاسما (۱۵ میلیون آمپر در ITER) میتواند به صورت مجازی به عنوان یک مار که دماش را میگیرد، تصور شود. به طور خلاصه، یک اختلال میتواند به شکل قطع شدن چرخش این جریان تصور شود. در این حالت، مار دماش را رها میکند و به سمت دیواره میرود. در دستگاه ITER، این "دستزدن" به ۱۱ میلیون آمپر تخمین زده شده است.
دلیل: آشفتگی MHD. بدتر از آن، این تغییر شکل میدان مغناطیسی با گرادیانهایی همراه است که به عنوان مناطقی عمل میکنند که ذرات باردار (به ویژه الکترونها) را شتاب میدهند. این ذرات به سرعتهای نسبیتی نزدیک به سرعت نور میرسند و انرژی بسیار زیادی کسب میکنند. پس از یک سرعت خاص، آنها تقریباً دیگر با یونها تعامل نمیکنند. به این ذرات "الکترونهای جدا شده" گفته میشود. اما به دلیل "اثر آبشاری"، این الکترونها دیگر الکترونها را شتاب میدهند. این اثر ضربالعددی بسیار زیادی در ITER ایجاد میشود.
در یک استلاراتور، چنین پدیدههایی وجود ندارند. این به این معنا نیست که ناپایداریهای دیگری نمیتوانند رخ دهند. تنها آزمایشها پاسخ به این سوال را خواهند داد. از نیم قرن گذشته، دستگاههای پلاسما بیش از حد شگفتیهای بد ایجاد کردهاند، بنابراین پیشرفت به صورت تدریجی ضروری است.
دستگاه آلمانی سیستمی مغناطیسی دارد که در آن شدت میدان به ۳ تسلا میرسد. سیستم گرمایش با مایکروویو برای کارکرد ۱۰ تا ۵۰ ثانیه طراحی شده است. سیستم تزریق نوترونی به انرژی ۸ مگاوات تأمین میکند. با این دستگاه، محققان امیدوارند که پلاسما را در اتاق با چگالی ۳×۱۰²⁰ هسته در متر مکعب به دمای ۶۰ تا ۱۲۰ میلیون درجه برسانند.
استلاراتور آلمانی قادر به تولید پلاسماهای فیوژن «خودکفا» نخواهد بود، جایی که انرژی ناشی از فیوژن کافی باشد تا دمای پلاسما را در سطح لازم حفظ کند. با این دستگاهها، هدف این است که "آتش هستهای" را روشن کنیم. میتوانید این کار را با تلاش برای روشن کردن "چوب کمی مرطوب" با قطعات چوبی یا یک "شعلهزن" دستی مقایسه کنید. هرچند چوب مرطوب سوخته میشود، این فرآیند به صورت اکزو-انرژیک ادامه مییابد. وقتی قطعات چوب خشک یا شعلهزن مصرف میشوند، دو حالت ممکن است: یا گرما ناشی از سوختن چوب مرطوب به اندازه کافی باشد تا آتش خود را حفظ کند، یا این گرما کافی نباشد و آتش خاموش شود و شما مجبور به شروع دوباره با یک شعلهزن جدید خواهید بود.
هیچ دستگاه پلاسما در جهان تاکنون نتوانسته است چنین شرایطی را ایجاد کند. بهترین دستگاه: JET توانسته است ضریب Q = انرژی ورودی / انرژی تولید شده را به مقدار ۰٫۶ برساند. هدف ITER این بود که ضریب بیشتر از یک به دست آید. در این مسیر، هیچ اطلاعاتی درباره رفتار پلاسماهای فیوژن خودکفا نداریم. همانطور که در هر موضوع مربوط به این مسائل، پیشبینیهای نظری بسیار دشوار است.
استلاراتور آلمانی هزینهای داشته که نسبت به پیچیدگی آن است. فکر میکنم هزینهها به یک میلیارد یورو برسد. اما این یک پروژه است که به بلوغ رسیده است. دستگاه ساخته شده، سیستمهای مغناطیسی آن فعال هستند و در اوایل دسامبر، محققان اولین پلاسما را به دست آوردهاند. مرحله بعد، افزایش تأمین انرژی خواهد بود که به همان صورتی که در توکاماکها انجام میشود، با استفاده از مایکروویو و تزریق نوترونی. این تکنیکها کاملاً کنترل شدهاند. اولین سوال این است: "آیا این دستگاه از نظر مانعگذاری پلاسما، انتظارات را برآورده میکند؟" به نظر میرسد که پاسخ مثبتی از ابتدا به دست آمده است.
آیا استلاراتور راهحلی برای تولید انرژی از طریق فیوژن است؟ هنوز زود است که بگوییم. اما هزینه آن ۱۶ برابر کمتر از ITER است. این دستگاه در مقایسه با این پروژه فرعونی بسیار پیشتر است: کار میکند و محققان نمیتوانند نگران آسیب فوری به دلیل اختلال باشند، که در مورد ITER این امر صادق نیست.
این خطر پروژه آخر را به شدت مختل میکند. اگر طراحی ITER را بررسی کنیم، هر جایگزینی قطعه میتواند مشکلی غیرقابل حل باشد. قطعاتی که هدف اصلی اختلالات هستند، عناصر "دیورتور" هستند.
تصویر اول اندازه قطعه را نسبت به کل دستگاه نشان میدهد. یک ویدئو وجود دارد که نشان میدهد فنیکاران چه آکروباتیکهایی باید انجام دهند تا قطعات را نصب کنند. جایگزینی آنها نیز مشکلبر است. لطفاً ببینید:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
در این مسیر، خطر اختلال با افزایش توانی که از پلاسما استخراج میشود، افزایش مییابد.
استلاراتور آلمانی یک ابزار تحقیقاتی است که هیچ ادعایی به عنوان پیشنمونه یک ژنراتور انرژی فیوژن ندارد. از این منظر، یک پروژه جالب است که در چارچوب منطقی قرار دارد. پروژه ITER از ابتدا فرعونی بود. مشکلات فنی و علمی که ممکن بود مواجه شویم، بسیار کمتر از آن چیزی که واقعاً بود، تخمین زده شده بود.
در فرانسه، ما استلاراتوری نداریم، چه به صورت دستگاههای آزمایشگاهی. شخصاً پیشنهاد کردهام که یک پیکربندی "گره سهبرگ" را آزمایش کنیم که نیز یک پیچش مارپیچی خطوط میدان مغناطیسی را نشان میدهد و در عین حال امکان ایجاد آن را با استفاده از سیمپیچهای دایرهای فراهم میکند.
اما این اتاق حول یک "هسته" ساخته شده است که معادله آن به صورت زیر است:
x = Cos t + 2 Cos 2t
y = sin t - 2 sin 2t
z = 2 sin 3t
در یک برش دایرهای و عمودی، نقطه میدان ماکسیمم در هر دور ۲۷۰ درجه میچرخد، که ممکن است کافی باشد تا یکنواختی پلاسما را تضمین کند. اینکه سیمپیچها دایرهای باشند، امکان افزایش میدان به ۱۰ تسلا را فراهم میکند (میدان نامی در اتاق ITER ۱۱٫۸ تسلا است).
اما تمام تلاشها برای ایجاد حتی یک مدل کوچک ۵۰ سانتیمتری در یک آزمایشگاه تخصصی، به هیچ نتیجهای نرسید. این نشاندهنده این است که بخشی از سازمان CNRS که مسئول تحقیقات در مورد پلاسماهای داغ است، نوشته بود که این مطالعات به دو محور ممکن محدود میشوند:
- ITER
- مگاژول
به عنوان نمونه، نتایج به دست آمده از نسل بزرگتر MEGAJoule، NIF (واحد احتراق ملی) آمریکا، بسیار ناامیدکننده بود. امید به مطالعه فیوژن لیزری با استفاده از دستگاه MEGAJoule نیز یک وهم است. دستگاه آمریکایی ۱۹۲ لیزر دارد که از شیشه دوپ شده با نئودیمیوم استفاده میکند، در حالی که دستگاه فرانسوی ۱۷۶ لیزر دارد. با وجود شکست NIF، پروژه فرانسوی به پایان خواهد رسید.
در این مسیر، چرا این شکست رخ داد؟
از میانه دهه ۱۹۷۰ به بعد، به دلیل یک پروژه تحقیقاتی فوقالعاده محرمانه به نام Centurion Halite، آمریکاییها میدانستند که برای فشردهسازی یک کره دوتریوم-تریتیوم به نقطهای که فیوژن در داخل آن ایجاد شود، نیاز به انرژی ۱۰ تا ۲۰ مگاژول دارد. اما NIF تنها میتوانست ۰٫۱